引力是如何产生的?

关于我们

谢邀!虽然现在很忙,但是这个问题实在太有趣了,忍不住。现在先说一下为什么这个问题这么有趣。前最高票的答案说目前科学无解。非常正确,我们的确还不知道这个看似每个人都懂的引力到底是如何产生的。有几个答案说了一大堆,其实就在说引力干什么吃的。问题是引力如何产生的,不是引力的作用或特征。牛顿也回答不出如何产生这个问题。这也是爱因斯坦花了三十年时间,最后遗憾而去,未能解答的问题。目前无数的量子物理家门,弦理论家门,都视这题为目前物理界的终极理论。因为要回答这个问题,其实就需要:The Theory of Everything 万有理论/一切的理论。先说一下,宇宙有四种基本力,也就是物质间最基本的相互作用:(1)电磁相互作用(2)强相互作用(3)弱相互作用(4)引力相互作用前年发现希格斯玻色子后,也就是所谓的上帝粒子,完全的证实了Standard Model标准模型。这个模型概括解释了强核力、弱核力和电磁力的基本组成和所有物质的基本粒子。用单一理论来解释这三个相互作用如何产生,就是Grand Unified Theory大统一理论。这也算是二十世纪,到二十一世纪,物理界最大的成果。不过,目前还没能把引力一起统一解释。所以还需要更上一层的The Theory of Everything万有理论/一切的理论,来把这四力都统一了,才能知道引力到底这如何产生的。虽然没有人可以说他们知道答案,不过目前有些非常有趣的假说,待会儿详细来说。。。===咱饭后继续来说了。Theory of Everything 万有理论可以算是目前物理学的终极目标。而我们熟悉的两个物理理论系统:(1)量子力学(2)广义相对论就是有可能解释万有理论的两个竞争者。它们其实是竞争对手,因为两个理论虽然都有潜力在未来达成万有理论,不过以目前的定义,是不可能两者皆对的。对,你没看错,我的确说这两个被视为二十世纪物理界最有影响力的两个理论不可能两者皆对。不过目前应用物理上来说,这还不是问题。因为一个是微观,一个是宏观,由于应用相差大,所以可以分开解释。虽然两个都在目前的实验上来说,已被反复的验证了,真不好说哪个对哪个错,不过目前的解释非常“乱”,并不完美,并不是统一的万有理论。但是未来有可能改变它们的定义,来容纳对方。反正现在只能说两个都只解释了宇宙奥秘的一部分。量子引力是量子力学试着解释引力,以及想办法结合广义相对论的一个理论。其中一个概念是graviton引力子,是一个假设的基本粒子。如果引力子真的存在,它不会有质量或电荷,并且是引力的产生源。不过这个假设理论,虽然可以完美的解释引力来源以及完成万有理论,还是有非常大的实验证实问题的。可以说基本上不可能测到。具体为什么我就不多说了,反正有很多基本上的物理问题导致实际测量几乎不可能。而在科学上,不可能实验证实的理论,不是个好理论,不过这也并不代表这个假设不对。只能说我们有可能无法验证。另外,说到万有理论,不可能不提到String Theory弦理论。因为它是目前最被看好的,或许可以最终达到万有理论境界的理论。而且,弦理论给出了量子力学和广义相对论结合的可能性。弦理论有非常多的子理论,比较难在这说清楚。基本上都是说宇宙刚开始的时候,宇宙四力都是一个统一的基本力。所有的粒子在最最小的微观大小里:普朗克长度,都有不同在振动的弦。根据这些弦不同的振动,而产生了不同的粒子的质量以及相互作用。还有必须要说到的是Loop Quantum Gravity圈量子引力论。以前这个理论跟弦理论水火不容。不过近年也有结合两个理论的子理论了。和弦理论一样,圈量子引力论也在尝试统一量子力学和广义相对论,所以它跟弦理论都是比较有名的试着解释量子引力的竞争者。圈量子引力论的基本概念是宇宙时空本生就是量子化的,普朗克长度大小的粒状。宇宙就好像一圈圈织在一起的。引力就是有某种特征的圈圈而引起的。在《生活大爆炸》里, Sheldon相信的是弦理论,而他的死对头Leslie Winkle就是圈量子引力论派的。其它试着解释引力来源,以及想成为万有理论的假设和理论实在是多的数不过来。很多都有部分交叠的概念,而有些却有互相有矛盾的假设。到底那个理论才可以最终升华到万有理论的地位,那就不知道了。或许我们这一代就有可能知道,或许永远都解不了这个宇宙奥秘。 ===最后分享一黑弦理论家门的笑话。。。

15/07/21更新:知乎分享的不止是知识,还有观点。告诉大家自己是有理解极限的,要知难而退,也是一种科普教育。这种科普有时比告诉大家一些用来装逼的小知识更重要,因为它能让人尊重这个学科。数学物理这种民科泛滥的领域尤其如此。此外,说明一个问题不是一个好问题更是科普的一个非常重要的任务。我很反感有人科普的时候娓娓道来一些并不相关的知识,比如问为什么1+1=2的时候提什么皮亚罗公理,这就是卖弄风骚(见7/21评论),让提问者觉得自己问的问题还挺好,得到了热烈的回应。有的时候就应该指出是提问者概念上搞混了,有些问题就不该问。写答案的时候语气是有些不好,不过我也懒得改了。这不是大问题。有些评论单说我语气不好的问题,我认了。有些评论不服气,说我啥都没讲,没有帮助,那就是自己悟性低了。很多人只看到我甩公式,然而我通篇最重要的观点是什么时候该问为什么(对理论作出怀疑的三类动机)。这点阅读能力都没有,还指望别人给科普,怪我喽?(正文少数粗斜体也是这次更新的。)——————————————————————————————首先我们要理解题主的意思。当我们对一个理论作出怀疑时,通常有三类动机:这个理论不符合某个实验,或者不自洽(不符合思想实验);这个理论和另一个理论有冲突;对这个理论的形式本身不满意。第一种的例子很多,不符合实验的就不举了,不自洽的比如说亚里士多德的落体理论(重物更快);第二种的例子就是大家提到的量子和广相不相容;第三种的例子是当年爱因斯坦提出广相(后面会细说)。那么题主是哪一种呢?我判断是第三种,因为题主是“觉得课本上说得很牵强”,说明它在意的是课本上介绍的引力理论自身的问题,而且不可能是自洽性的问题,只能是形式上不清楚,不够有说服力。所以我不会从量子引力的角度来说,因为那是答非所问。有很多答案说这个问题学界没有确定的回答。这种答案一般分两种情况,一种是像高票匿名用户那样的,肚子里没多少货,自己搞不清楚,就说科学界也没搞清楚(TA的回答有两个严重问题,一是认为爱因斯坦引力理论和牛顿引力是“等价”的,二是认为弦理论甚至引力子是“不可证伪”的,不服来辩);还有一种情况就是懂得比较多的专业人士,他们的重点在于一个结合量子力学的引力理论还未完成,但是正如上面我的观点,这么答是有点答非所问的。需要注意的是,「对理论形式的不满意」一定是站在了解理论及其相关数学语言的基础上问出来的,而不是在「我看不懂这个理论」的基础上问的。人们总是希望通过一些「日常的经验」来解释「引力」这种物理概念,这也是许多低等民科做的事情。比如评论中有人说「其实地球的中心是个超强力抽气机,把地球上所有的东西都吸住,由此产生了「引力」」,虽然他是开玩笑举的例子,但这就是他以及许多其他人所期待的答案。我本想通过归纳人们问为什么「应该有」的动机而间接批评这类「不应该有」的动机,可惜很多人不理解。所以我觉得必须加上第4点动机: 4. 这个理论不符合「日常经验」。这个动机是「绝对错误」的。——————————————————————下面是我的回答(仅针对有第3类动机的人有效,其他人可以散了):首先澄清几个问题:1、对一个科学理论不要过分吹毛求疵,所有理论都是有适用范围的。对于引力理论,牛顿引力在低速弱场近似下足够好了;爱因斯坦引力理论在几乎所有情况下都足够好了,还不适用的地方只有这几处:a)黑洞,b)极高能量物理过程(这样的过程不管是自然还是人工都还达不到,只能说是理论上的挑战),c)极早期宇宙。2、当你问一个科学概念的逻辑起源的时候,你追求的一般是一个美学结论。任何科学理论都有假设,科学理论不可能无中生有。一个好的理论,可以让你从任何复杂现象开始追根溯源到几个简单的假设,只有当你对假设的美学不认同的话,你才可以继续问为什么,否则就是耍流氓。什么叫基本假设的“美学”呢?举几个例子:托勒密的本轮均轮。托勒密的理论对于初期观测数据是有比较良好的解释力的,但是随着观测数据的增多,他开始修改自己的理论,加了很多无中生有的东西,叫“本轮”“均轮”(我没研究过,只知道这些历史事实)。最后被日心说推翻时,日心说对数据的符合程度并没有非常理想,但是由于假设极少,还是战胜了设定繁杂的地心说。直到开普勒的天体物理三定律和牛顿的万有引力理论,观测数据才能被极好的拟合。这个例子说明,一个好的理论参数不能太多。标准模型希格斯粒子质量的“精细调节”。具体的就不详述了,这个比较专业。概括起来,就是理论里需要有两个相互独立的参数,它们必须相差亿万分之一,才能解释观察到的现象(希格斯质量的值)。这就是提出“超对称”的一个重要动机。这个例子说明,一个好的理论的独立参数之间的关系不能太有“人为”的痕迹。爱因斯坦的相对论。相对论大师爱因斯坦,在提出狭义相对论的时候有一个抉择,那就是从以下三个东西中舍弃一个:相对性原理,光速不变,时空性质。当时的状况是,光速不变已经被证实,而时空不变几乎是先验的、不可动摇的。结果爱因斯坦力保相对性原理,把很直观的但是并没有严格验证过的时空性质给修改了,这才得到狭义相对论的时空观。这一步走得有一半是被逼的,因为当时的实验亟待一个解决方案。老爱成功了一次后,爱上了相对性原理,对它进一步拓展,得到广义相对论。值得注意的是,这一步是迄今为止极少有的(我能想起来的就这一例)人类没有理论或实验上的动机、纯从美学出发而得到的一个正确理论。这个例子说明,大师级的审美能力是怎样影响理论研究的。好,回到题主的问题:引力是如何产生的?回答一:不满意?为什么?这样一个简单的公式就可以解释那么多引力现象了。这个公式告诉你引力是怎么实现的:它和产生引力的物体的质量成正比说明质量是它的源,它和自身的质量也成正比说明质量也是它的荷,它随空间成平方反比率这是一个符合实验的结果。什么时候你可以对它不满意了呢?当你的审美能力达到了一定的程度,已经觉得这个公式满足不了你了的时候。比如,你可以具体地问:为什么引力和距离的平方成反比,而不是一次方或三次方?这和静电力是一样的,有什么联系?为什么引力总是吸引,不像静电力一样有排斥?你只有问了这些问题,我们才可以继续。回答二:经过长时间的学习,你终于弄懂了这个公式的意思。除了一个无关紧要的常数以外,这个公式比万有引力简单了一些,左边是一个几何张量,右边是一个物理张量,这个公式读作“物质弯曲时空”。你别问怎么弯曲的,不知道回去学去。这个理论里,受引力影响的运动是“自由”的,不需要解释,是牛顿第一定律“物体在不受力的情况下沿直线匀速运动”的直接推广;这个公式告诉你引力是怎样通过物质产生的,右边是能够完整描述物质能量状态的张量,有“守恒”的性质,左边是一个由几何恒等式决定的也有“守恒”性质的几何量,从某种程度上来说,也是很简单的,并没有很多假设。相对于牛顿引力,它指出引力的源不是质量而是能动张量,其低速极限表现为质量;进而摒弃了引力作为「力」的描述,从而也不需要「荷」的概念(等效原理指出作为荷的质量和 F=ma 中的质量相等,说明这个力是几何效应),经过计算,这个公式在低速弱引力极限下表现为平方反比律。什么?还不满意?你觉得这些张量构造起来太复杂?左边是微分几何中很基本的不依赖坐标的量,右边是狭义相对论自然引入的描述物质能量状态的量,觉得它们陌生只能是因为你姿势水平不够。你说,这两个量我都熟悉,可是为什么要让它们相等?我们继续看:回答三:用作用量阐述物理理论的方法,是分析力学以来理论物理的基本研究方法之一,不懂的回去学去。右边是一个体积分,测度就是整个时空的体积形式,被积分的是几何上能够构造出的最低阶的标量场。也就是说,在允许时空弯曲的前提下,不放进任何物质的理论里,这是最最简单的一个。这总够了吧,这从数学的角度都已经算是很完美了。当你问引力是怎样产生的,我把一个足够符合实验,并且如此简单的一个理论摆出来,你还有理由继续问吗?没有。什么什么?还不服?为什么不能有高阶的几何标量场?我可以说因为那样就不纯粹不美了吗?当然,也有人做这样的模型的,一种是从几何的角度,找符合美学又不影响实验结果的高阶项,比如Gauss-Bonnet gravity;一种是弦论的低能有效理论,就是各种SUGRA。但是都没被实验验证呢。何况仅从低能有效理论的角度来说,它们都没有老爱的理论简单优雅。最后,我猜题主并不是在理解了以上三个理论之一后觉得它不够好(如果是,那么上面的就是答案),而是根本没有理解其中任何一个理论。如果是那样,你不要指望有人在知乎上给你完整推导一遍。你有什么具体的问题就具体地说。你得具体说明你对以上哪个理论有意见,然后说出你的意见来,而不是上来就问「为什么」,这就像问「你为什么要出生在这个世界上」一样无礼。————————————————————————————————好了,最后,为了满足一些鸡蛋里挑骨头的读者,讲讲广相和量子的兼容性问题。是的,不兼容,而且由于物理理论一般是向上兼容的,所以我们要修改的是引力理论。但是,我们问这个问题的出发点并不是已有的经典引力理论如何不够好(参看上面几个回答后的斜体问题),而是它在实际操作层面上与另一个理论冲突。也就是说,这个修改并不是问题“引力是怎样产生的”或“引力为什么是这样的”的答案。不过作为题外话,我还是想澄清一些大家关于量子引力理论的误解。首先,这种理论,无论是弦论还是圈量子引力,都不是“不可证伪”的。就算以目前的理论程度,暂时没有实验可以验证哪怕一点它们的推论,它们也是可证伪的,这些概念是不依赖于实验技术水平的。其次,这样的理论并不是拍脑袋想出来的,虽然它们没有实验的佐证,但是它们有更强大的东西使得人们相信它,那就是理论的自洽性。我们说,当两个成熟的理论产生矛盾的时候,首先肯定它们都是(近似)正确的,这对于一个统一的理论来说有着非常大的限制,即这个统一理论在两种极限下确实可以得到这两个成熟的理论。在寻找这样的统一理论的过程中,我们要不断地debug,因为很多理论会有自身逻辑上的矛盾性,必须要避免。这样一来,可供选择的理论本来就不多了。而弦论是迄今为止比较成功的一个,这相当不容易。最后,也是大家误解最多的,并不是实验上发现了什么极端现象,由于没考虑量子效应经典引力理论解释不了,而单单是理论上它们不相容。也就是说,目前并没有发现什么引力现象无法用现有引力理论解释。所以说,就“引力现象”而言,物理学已经给出了足够完美的解释了,解释不了的那些都没发现。这难道还不够吗?

Theoretical physics: The origins of space and time : Nature News & Comment

关于这个问题,Verlinde提出了一个非常新颖的观点,即引力是一种熵力,并且在这个假设下得到了万有引力定律。引起了很大的反响,也有不少的人在跟进这个工作,现在不知道怎么样了,最近稍稍了解了一点这个工作。这个回答只涉及简单的代数运算。熵力这个概念来自于生物物理,宏观系统总是趋向于熵极大的状态,而如果存在外力来破坏这个熵极大的状态,那么系统为了保持平衡,就会出现抵抗熵减小的力。所以熵力实际上是一种宏观力,和摩擦力,支持力等一样,而不是基本的相互作用。另外,根据熵力的定义,熵力指向熵增加的方向。而引力通常被认为是一种基本的相互作用,而Verlinde的工作指出引力也许是一种熵力。根据热力学第一定律:熵力和外力平衡,得到熵力的表达式
根据贝肯斯坦推得黑洞熵的方法,根据全息原理,黑洞内部的信息由一块低维度的膜来描述。
质点m移动一个康普顿波长,膜的熵变化一个小量。确切的说,.黑洞的总能量, 第一个等号是因为能均分定理。
这时,将kT代入可以将力化简为对于自由度N,我们可以认为表面上最小的单元是普朗克尺度,普朗克长度代入我们就还原了牛顿万有引力定律:
ps: 根据广义相对论,引力是和时空几何直接相关的理论,因此引力如果是一种宏观衍生的力,也说明了时空的层展性。而衍生的时空这一点的研究是当代物理学的一个很主要的课题。
关于更多具体的内容,也可以看看这篇文章arXiv:1001.0785v1, 没有深刻的数学,但是却非常具有启发性。刚刚看到,如何深入浅出地解释熵、宇宙和时间的关系? – li li 的回答里面也有提到这个工作,而且讲的更多一点,感兴趣的也可以去关注一下

我认为引力和因果关系在本质上是一回事,引力即因果https://zhuanlan.zhihu.com/p/130286247。
这个等价性原理在量子引力理论中的意义,类似于 等效原理 在广义相对论中的意义,后者把引力和洛伦兹几何等同起来。引力即因果是等效原理的量子化,背后的数学基础是张量范畴,图形演算,kan扩张,和因果凝聚。

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注